21世紀生命科學展望文檔閱讀

內(nèi)容提要一、生命科學的回顧與展望二、學好生物科學，做一名合格的社會主義建設(shè)人才人類基因研究的最新發(fā)現(xiàn)人類基因總數(shù)在3～3.5萬個之間，低于原來估計數(shù)目的一半。這說明人類在使用基因上比其它物種更為高效?；蚪M中存在著基因密度較高的“熱點”區(qū)域和大片不攜帶人類基因的“荒漠”區(qū)域。大約1/3以上基因組包含重復序列，這些重復序列的作用有待進一步研究。所有人都具有99.99%的相同基因，而且不同人種的人比同一人種的人在基因上更為相似，任何兩個不同個體之間大約每1000個核苷酸序列中會有一個不同，這稱為單核苷酸多態(tài)性(SNP)，每個人都有自己的一套SNP，它對

“個性”起著決定的作用。結(jié)

論由于人類生存和經(jīng)

濟發(fā)展的需要以及生命

科學本身的發(fā)展和貢獻，生命科學在21世紀將成

為科學技術(shù)的主角。蓬勃發(fā)展的生命科學生命科學包括著生物學、農(nóng)學、醫(yī)學等三個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域又包括若干二級學科。在生命科學中，生物學科的研究是其基礎(chǔ)，而以細胞工程、基因工程、酶工程和發(fā)酵工程組成的生物技術(shù)是現(xiàn)代生物學的領(lǐng)頭羊。蓬勃發(fā)展的生命科學生物技術(shù)（Biotechnology）指運用現(xiàn)代生物學的理論和技術(shù)改造細胞的遺傳物質(zhì)，培養(yǎng)出人類需要的生物新品種；從工業(yè)規(guī)模上利用現(xiàn)有生物體系，制備生物制品；模擬生物體系，以生物化學過程代替化學過程，制備工業(yè)產(chǎn)品；在基因水平上對疾病進行治療。蓬勃發(fā)展的生命科學近年來，生命科學的各個領(lǐng)域都有新的進展。下面僅以生物技術(shù)在人類健康、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用進展為例，闡述生命科學對

21世紀人類的生存和經(jīng)濟發(fā)展的必要性和重要性，以增強大家學習生命科學的信心和決心。Ⅰ.生物技術(shù)在人類健康領(lǐng)域的應(yīng)用1987年諾貝爾生理學及醫(yī)學獎得主、日本分子生物學家利根川進（SusumuTonegawa）認為，人類所有疾病都與基因受損有關(guān)，并第一次提出人體疾病的新概念──“基因病”?；虿】煞譃槿箢悾旱谝活悶閱位虿。坏诙悶槎嗷虿?，涉及兩個以上基因結(jié)構(gòu)或表達調(diào)控的改變；第三類為獲得性基因病，由病原微生物通過感染將其基因入侵到宿主的基因引起。人體中某種基因發(fā)生突變、不能表達和產(chǎn)生正常產(chǎn)物，就會導致一種基因病。基因病的最終解決途徑有賴于基因修復（“基因治療”，gene

therapy）。1990年9月14日，美國國立衛(wèi)生研究院（National

Institutes

of

Health,

NIH）正式批準安德生（W.F.Anderson）領(lǐng)導的治療小組為一位因腺苷脫氨酶（ADA）基因缺陷而出現(xiàn)嚴重綜合性免疫免疫缺陷癥（SCID）的４歲女孩作基因治療。安德生采用白細胞培養(yǎng)，以帶正常ADA基因的病毒感染白細胞，再將白細胞注入體內(nèi)。到1991年5月，經(jīng)7次注射，患兒體內(nèi)ADA水平達到正常人的25％，免疫功能逐漸恢復，生活質(zhì)量明顯提高，已能滑冰和上舞蹈課，也未見副作用?！盎蛑委熤浮?991年12月13日，復旦大學遺傳學研究所薛京倫等與第二軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院合作對兩名血友病B（又稱“凝血因子Ⅸ缺乏癥”，一種性連鎖隱性遺傳性出血性疾?。┗颊哌M行了基因治療。方案采用在皮下植入轉(zhuǎn)移有正常凝血因子Ⅸ的自身皮膚成纖維細胞，使病癥得到了緩解。薛京倫（1934－）復旦大學首席教授、博士生導師，現(xiàn)任職于生命科學學院遺傳學研究所，主要從事醫(yī)學遺傳學研究工作。上海醫(yī)學遺傳研究所與復旦大學遺傳所合作，由曾溢滔、黃淑幀教授主持，于1996年10月在上海奉新動物實驗場成功研制出5頭能夠高效表達人凝血因子Ⅸ的轉(zhuǎn)基因山羊（3公2母），向構(gòu)建“動物藥廠”邁出了極為可喜的一步。乳汁中分泌人凝血因子IX的轉(zhuǎn)基因山羊左:所長曾溢滔教授，中國工程院院士、著名科學家、全國政協(xié)委員、全國先進工作者、全國“五一”勞動獎?wù)芦@得者。右:黃淑幀教授學科帶頭人，著名醫(yī)學遺傳學家、上海市勞動模范、上海市先進女職工標兵。1999年9月，18歲的美國青年杰西·吉爾辛格（JesseGelsinger）因患在醫(yī)學上稱為鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶不足癥（OTCD）的罕見遺傳性疾病，

在美國賓夕法尼亞州大學人類基因治療中心接受基因治療，因?qū)ψ鳛榛蜉d體的腺病毒敏感不幸死亡，成為被報道的首例死于基因治療的患者。臨床失敗案例基因治療面臨的挑戰(zhàn)及展望目前全世界已知的遺傳病有3000多種，但其中只有3％找到了致病基因，得到治療的僅幾百人。外源基因多途徑、多層次的表達調(diào)控更是嚴重的挑戰(zhàn)。無論如何，基因治療的路還是會越走越寬廣的。生物制藥簡單的說，生物制藥

就是把生物工程技術(shù)運用到藥物制造領(lǐng)域，它以微生物、寄生蟲、動物霉素、生物組織為起始材料，采

用生物學工藝及分離純化技術(shù)制造出新的生物藥品。生物制藥產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及展望自20世紀90年代以來，全球生物藥品銷售額以年均30％以上的速度增長。截至2002年，運用生物制藥技術(shù)已創(chuàng)造了35種重要的治療藥物，年貿(mào)易額高達140億美元。中國生物制藥產(chǎn)業(yè)起步于80年代初期，1989年中國批準了第一個在中國生產(chǎn)的基因工程藥物，經(jīng)過十多年的發(fā)展，中國已經(jīng)已有超過500家生物醫(yī)藥相關(guān)企業(yè)，中國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的銷售額占整個醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)比率已經(jīng)達到6％左右。有關(guān)專家預測，到2005年我國生物制藥市場銷售額將達到150億元。2000年時這個數(shù)字是75億元，5年時間實現(xiàn)翻一番，生物制藥業(yè)的市場前景由此可見一斑。胰島素（insulin）降低血糖含量，為糖尿病常用藥。過去——從動物胰

臟中提取，成本高、產(chǎn)量低；現(xiàn)在——利用

DNA重組技術(shù)進行生產(chǎn)，成本低、產(chǎn)量高。例如，英國一研究中心在

1000L發(fā)酵罐中生產(chǎn)了200g胰島素，相當于1600噸胰腺的提取量。根據(jù)2004年3月美國波士頓的投資研討會上SG

CowenSecurities

Corporation分析家所作的報告，2003年胰島素的總銷售額為47億美元。干擾素（interferon,

IFN）一族廣譜抗病毒、抗腫瘤及調(diào)節(jié)機體免疫功能的蛋白質(zhì)。過去——干擾素只能從血液中提取，

45000L血液中只能提到0.4mg，價格昂貴?，F(xiàn)在——從人的淋巴細胞中提取信使

RNA（mRNA），再用逆轉(zhuǎn)錄酶將它制成互補DNA（complementaryDNA,cDNA），即干擾素基因，然后利用載體將它轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，每升培養(yǎng)液可生產(chǎn)1mg以上干擾素?！?/p>

目前，已有約60個國家批準干擾素上市，用于治療約

30多種疾病，世界性的銷售額在20億美元左右。我國已有20多家公司從事基因工程干擾素的生產(chǎn)和銷售，已有4種基因工程干擾素批準生產(chǎn)上市，包括重組人α-1b、α-2a、α-2b干擾素以及γ干擾素，基因工程β-干擾素和ω干擾素也已經(jīng)完成研究。應(yīng)用生物技術(shù)生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物已不少，如白細胞介質(zhì)、人生長激素、疫苗、單克隆抗體、人紅細胞生成素等等。異種器官移植·

傳統(tǒng)器官移植面臨的問題人體供體器官的供不應(yīng)求一直制約著器官移植的發(fā)展。此外，還存在著治療費用高的問題。異種器官移植人們把目光放在了異種器官移植上。由于豬易

于繁殖，而且其器官在大小、功能上與人體器官較為接近，因此被視為替代器官的理想來源。面臨的問題——豬體內(nèi)能生成一種能引起人體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生排斥反應(yīng)的特殊糖，防止排斥反應(yīng)的關(guān)鍵是排除一種把這種特殊糖置于豬細胞表面的基因。異種器官移植2002年，總部設(shè)在蘇格蘭首府愛丁堡附近的PPL公司宣布，他們首次培育出了五頭完全排除該“有害基因”的豬，從而大大增加了人體移植豬器官的可行性。把這種豬的器官移植到人體上不會產(chǎn)生排斥反應(yīng)。據(jù)稱這種豬的器官移植人體不會產(chǎn)生排斥反應(yīng)異種器官移植仍然面臨的問題

豬體內(nèi)還有人類和一些靈長目動物身上所沒有的一對特殊基因，名為GGTA1，由它們協(xié)助產(chǎn)生一種依附于

豬細胞表面的奇怪的酶，當豬器官移植到人體后，這種酶可以使豬器官在數(shù)小時內(nèi)死亡。此外，還存在病毒感染的可能性。前景展望——該技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊，比如也可用來治療糖尿病、帕金森癥及老年癡呆癥等?？?/p>

結(jié)僅從以上3個方面，就可看到現(xiàn)代生物學理論和技術(shù)在醫(yī)學上的重要性，也反映出生物學是醫(yī)學的基礎(chǔ)。美國和歐洲一些國家，要求生物系畢業(yè)后，才能上醫(yī)學院。目前，我國的一些重要醫(yī)學院校已要求學生入學后，先在有關(guān)大學生物系學習2－3年生命科學基礎(chǔ)課，然后回本校學專業(yè)課，也反映出生物學與醫(yī)學的密切關(guān)系。Ⅱ.生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用·近年來，現(xiàn)代生物學已在農(nóng)作物品種改良、生物農(nóng)藥、植物快速繁殖、細胞株系育種以及家畜品種改良等方面取得成效。?

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?1?2?2?年9999900份36789020047945人的糧食）將難以滿足人口增長的需要，必須依靠現(xiàn)代生物學的知識和技術(shù)，建立現(xiàn)代生物技術(shù)農(nóng)業(yè)?！?/p>

地球口上（的單耕?地有2

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5?世界人口統(tǒng)計表（來源：互聯(lián)網(wǎng)資料）一、農(nóng)作物品種改良·

例一：轉(zhuǎn)基因煙草煙草花葉病毒（Tobacco

mosaic

virus,TMV）和黃瓜花葉病毒（Cucumber

mosaic

virus,CMV）是對煙草危害最嚴重的兩種病毒，過去一直找不到有效的防治辦法。在國內(nèi)，中國科學院微生物所率先將這兩種病毒的外殼蛋白質(zhì)

基因通過載體轉(zhuǎn)移并整合到煙草基因組中，使這種轉(zhuǎn)基因煙草具備雙重的防身武器，從而抵御兩種病毒的侵害，在我國已推廣30萬畝?！?/p>

例二：抗棉鈴蟲棉花棉鈴蟲是棉花的主要蟲害，難以防治。近年發(fā)現(xiàn)蘇云金芽孢桿菌（Bt）產(chǎn)生的伴孢晶體蛋白可殺死鱗翅目昆蟲的幼蟲，現(xiàn)已將伴孢晶體蛋白的編碼基因從桿菌中提出，導入棉花細胞內(nèi)使其表達，獲得了抗棉鈴蟲棉花，在我國已推廣3萬畝以上。·

例三：轉(zhuǎn)基因耐旱植物美國遺傳學家把某一作物的耐旱基因移植于細菌細胞內(nèi)進行繁殖，然后再將此基因轉(zhuǎn)移到植物細胞內(nèi)，可促進植物體內(nèi)脯氨酸的產(chǎn)生和積累。脯氨酸能抑制植物細胞向外滲透水分，植物經(jīng)過這樣的遺傳操作之后也就增強了自身的耐旱能力?！?/p>

例四：抗鹽百脈根有人將從抗旱耐鹽的黑麥中分離出的抗鹽基因轉(zhuǎn)移到豆科牧草百脈根的基因組中使后者獲得了抗鹽性，能在含鹽量為0.5％的土壤中正常生長，甚至在含鹽量達1％的上壤中也能生長；而一般百脈根植物完全沒有這種抗鹽能力?！?/p>

例五：抗寒番茄基因工程學家們將海洋魚類的抗凍蛋白（AFP）基因整合到番茄中，培養(yǎng)出抗寒番茄。此后又培育出了抗寒煙草、抗寒玉米等。二、基因工程新農(nóng)藥1991年，澳大利亞推出新農(nóng)藥“NOGALL”，它是一種人工構(gòu)建的生物體-K1026菌株?！癗OGALL”是一種很有效的抗冠癭病藥物，且對環(huán)境沒有任何的毒性。該農(nóng)藥已在美國申請注冊，并在包括中國在內(nèi)的許多國家里進行試驗。冠癭病癥狀新農(nóng)藥“NOGALL”三、植物快速繁殖·指將植物的分生組織、芽等用組培技術(shù)，培

養(yǎng)成植株。此法可在短時間內(nèi)獲得大量幼苗，可除病毒，可使難繁殖的植物繁殖。國內(nèi)外目前已經(jīng)有近千種植物用此種方法進行商品化生產(chǎn)，并已形成了一種新型的綠色產(chǎn)業(yè)。四、細胞株系育種在植物組織和細胞培養(yǎng)研究中，進行定向的篩選，可選出特殊的細胞株系，作進一步的選育，得到具特殊性狀的品種?！と毡究茖W家大野等將水稻的愈傷組織在含有NaCl的培養(yǎng)基上進行培養(yǎng)。在連續(xù)三次繼代培養(yǎng)中，淘汰不抗鹽的細胞，最后獲得三塊耐鹽的愈傷組織并由此得到了70多個再生植株。其中有20株產(chǎn)生的種子可以在含有1％NaCl的土壤中生長和結(jié)實。已證明在其第三代仍保持抗鹽性，這樣就育出了可以在含鹽量達1％的土壤·

中生長的水稻。·

Green等在不抗小斑病的玉米品種的細胞培養(yǎng)中加入0.5～1％體積的小斑病濃縮菌液，經(jīng)過三次繼代培養(yǎng)，逐步將濃縮菌液的濃度(體積)提高到4～5％，并繼代培養(yǎng)一年時間，即得到穩(wěn)定的抗病細胞團，由此分化的植株也具有抗病性。五、原生質(zhì)體培養(yǎng)和細胞融合·植物細胞由于有細胞壁的存在，阻礙了細胞間原生質(zhì)的直接交換或?qū)ζ溥M行遺傳物質(zhì)的操作。·

如果事先將其細胞壁去掉，可得到

“裸露的”原生質(zhì)體，然后進行原生質(zhì)體的培養(yǎng)，并利用一些化學物質(zhì)（如聚乙二醇）或物理因素（如電場）等，誘導不同種類的原生質(zhì)體發(fā)生融合，將不同類型細胞的遺傳物質(zhì)組合到一個原生質(zhì)體中，并使之再生出細胞壁，變成所謂的“雜種”細胞，并由此“雜種”細胞再生出“雜種”植株來。應(yīng)用實例有人將親緣關(guān)系很遠的番茄和土豆的原生質(zhì)體在一

起培養(yǎng)并誘導其原生質(zhì)體進

行融合，隨即產(chǎn)生了一個具

有蕃茄與土豆雙重特性的新

的植物種類。該作物在土壤

下結(jié)土豆，在地表上則結(jié)番

茄，稱為土豆番茄（Potato＋Tomato＝Pomato）。六、在畜牧業(yè)中的應(yīng)用·

例一：胚胎移植（embryo

transfer,

ET）胚胎移植是將優(yōu)良品種的母畜懷孕后發(fā)育早期的幼胚從子宮中取出轉(zhuǎn)移到另外一個母畜的子宮中，即所謂“借腹生子”。2003年12月，廣東湛江南翔胚胎生產(chǎn)工程技術(shù)研究所與中國農(nóng)業(yè)科學院、湛江市湖光奶業(yè)有限公司合作，通過胚胎移植技術(shù)繁育出三頭優(yōu)良奶牛小牛犢?！?/p>

例二：胚胎分割（embryo

splitting）胚胎分割是應(yīng)用顯微外科方法將發(fā)育早期的胚